Etude des interactions amidon / carraghénane / protéines de lait pour une formulation de crèmes desserts : vers l’ingénierie inverse

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protéines de lait pour une formulation de crèmes desserts : vers l’ingénierie inverse

Anne Matignon, P. Barey, Jean-Marc Sieffermann, Camille Michon

To cite this version:

Anne Matignon, P. Barey, Jean-Marc Sieffermann, Camille Michon. Etude des interactions amidon / carraghénane / protéines de lait pour une formulation de crèmes desserts : vers l’ingénierie inverse.

Carrefour de l’Innovation Agronomique: “ Comprendre et utiliser la structure des aliments pour

améliorer leurs qualités nutritionnelles et sensorielles ”, May 2014, Rennes, France. pp.111-124. �hal-

01173915�

Etude des interactions amidon / carraghénane / protéines de lait pour une formulation de crèmes desserts : vers l’ingénierie inverse

Matignon A.

, Barey P.

, Mauduit S.

, Sieffermann J.M.

, Michon C.

1

AgroParisTech, UMR1145 Ingénierie Procédés Aliment, F-91300 Massy

2

INRA, UMR1145 Ingénierie Procédés Aliment, F-91300 Massy

3

CNAM, UMR1145 Ingénierie Procédés Aliment, F-75003 Paris

4

Ferrandi, L’école française de gastronomie, F-75006 Paris

5

Cargill, Usine de Baupte, F-50500 Baupte

Correspondance : camille.michon@agroparistech.fr

Résumé

Les desserts laitiers neutres sont nombreux, ils se différencient essentiellement sur leur texture et donc leur structure. Une des combinaisons utilisée pour la fabrication de ces produits contient le trio d’ingrédients lait, amidon et carraghénane. Le devenir de ces ingrédients lors de la fabrication ainsi que leurs interactions, - plus particulièrement protéines de lait, amidon, carraghénane -, définiraient la structure du produit obtenu. De manière à mieux appréhender la construction de ces produits et proposer une démarche d’ingénierie reverse, les interactions entre ces trois ingrédients ont été étudiées par une approche systématique utilisant notamment la microscopie confocale à balayage laser. Leurs mélanges binaires (amidon / carraghénane et / lait) et ternaires (amidon / carraghénane / lait) ont été étudiés et discutés. Différentes interactions, qui impactent la mise en place de la structure du produit, ont pu être mises en avant. L’ensemble de ces résultats permet de proposer des pistes pour mieux maîtriser la qualité des crèmes dessert, en pilotant à façon le procédé.

Mots-clés : système modèle, physico-chimie, hydrocolloïdes, microstructure

Abstract: Study of starch / carrageenan / protein milk interactions in dairy cream formulation:

to reverse engineer

Neutral dairy desserts are composed of a large diversity of products of similar composition but different structures and textures. Their structure set up is defined by the interactions of, particularly, three common ingredients: milk proteins, starch and carrageenan. To initiate a reverse engineering approach, the interactions of those three ingredients were studied through a systematic approach such as confocal laser scanning microscopy. Their binary mixtures (starch / carrageenan or / milk proteins) and their ternary ones (starch / carrageenan / milk proteins) were studied and discussed. Different major interactions impacting highly the structure of the products were highlighted. All those results allowed proposing improvement to develop tailored neutral dairy desserts.

Keywords : model system, chemical-physics, hydrocolloids, microstructure

1. Introduction

Les desserts laitiers sont consommés partout dans le monde. Ils sont très appréciés notamment du fait

de leur grande variété de texture. Deux principales catégories de desserts laitiers existent : acides et

neutres. Elles sont obtenues respectivement par acidification et formation d’un réseau de protéines

laitières et par ajout d’hydrocolloïdes sans modification du pH. Les crème dessert et flan appartiennent

à cette deuxième catégorie. Une des combinaisons d’ingrédients utilisée dans tous les desserts laitiers neutres contient le trio d’ingrédients lait / amidon de maïs (majoritairement) / carraghénane gélifiant. Ils se composent alors de lait à plus de 80 % et de 8 à 12 % de sucre (Schuck et al., 2000 ; Spreer, 1998) ; de l’amidon et du carraghénane, un extrait d’algue, sont ajoutés à hauteur de respectivement 2-4 % et 0,1-0,3 % (Figure 1).

Figure 1 : Composition des desserts laitiers neutres, dans le cas d’une combinaison lait / amidon / carraghénane Le lait est une dispersion colloïdale de globules gras et de micelles de caséines dans une phase continue, le lactosérum, essentiellement composé de sels minéraux, de lactose et de protéines solubles (protéines du lactosérum). Le pH du lait est d’environ 6,7 et sa force ionique d’environ 0,1 M. Les micelles de caséines représentent environ 80 % des protéines du lait. Les micelles de caséines sont des organisations complexes de colloïdes formées par des interactions et des agrégats caséines / caséines et caséines / phosphate de calcium. Elles sont composées au minimum de 15 000 unités de caséines. Hautement polydisperses, les micelles de caséines ont un diamètre médian d’environ 200 nm et leur point isoélectrique est d’environ 4,6. Leur charge globale au pH du lait est donc négative et leur potentiel � est de l’ordre de ~ 20 mV (Dalgleish, 2011 ; Fox et Brodkorb, 2008). Les micelles de caséines sont relativement stables aux traitements thermiques (Fox et Brodkorb, 2008 ; Snappe et al., 2010), (Figure 2 - rond). Les protéines du lactosérum sont composées à 90 % de β -lactoglobuline, d’ α - lactalbumine, des albumines de sérum bovin et d’immunoglobines. Les deux protéines principales sont la β -lactoglobuline et l’ α -lactalbumine qui représentent respectivement environ 50 % et 20 % des protéines du lactosérum. Ces deux protéines sont toutes les deux globulaires et sont composées d’un nombre de résidus hydrophobes beaucoup plus faible que celui des caséines mais d’un nombre important de résidus cystéine (Fuquay et al., 2011; Snappe et al., 2010). Un des résidus cystéine de la β -lactoglobuline est libre, mais n’est pas disponible à l’état natif de la protéine. Ce résidu est exposé à la suite d’une dénaturation partielle de la protéine, qui peut être provoquée par un chauffage à une température supérieure à 60 °C, (Figure 2 - point gris). L’exposition de ce résidu peut mener à des interactions intra et inter-protéines (autre protéines de lait ou exogènes).

L’amidon est la forme de stockage la plus commune de carbohydrate dans le monde végétal (BeMiller et Whistler, 2009). Il se présente sous forme de grains rigides de forme et de taille dépendantes de son origine botanique. Les grains d’amidon natifs sont composés essentiellement d’amylose (chaîne linéaire) et d’amylopectine (chaîne très branchée) organisées de façon très compacte sous différentes formes cristalline, semi-cristalline et amorphe (Gallant et al., 1997). Les grains sont aussi composés de constituants mineurs tels que des protéines endogènes. Dans le cas de l’amidon de maïs, ces protéines sont réparties de façon hétérogène, sur la surface du grain notamment (Baldwin, 2001 ; Han et Hamaker, 2002). Lors d’un chauffage en excès d’eau, les grains d’amidons gonflent : ils se remplissent d’eau (Figure 2) et deviennent déformables. Sous cisaillement, ils sont susceptibles de se rompre libérant leur contenu dans la phase continue qui devient plus visqueuse. Malgré leur quantité mineure, les protéines endogènes de l’amidon pourraient avoir un rôle majeur sur la tenue des grains d’amidon lors de leur gonflement, e.g. l’élasticité de leur surface (Debet et Gidley, 2006).

Lorsque les grains se rompent, une trace des grains subsiste sous la forme de leur enveloppe vide et

plus ou moins déchirée, encore appelée « fantôme » (Atkin et al., 1998) (Figure 2). Pour limiter la

rupture des grains, il est possible de modifier l’amidon en réticulant les chaînes d’amylose et

d’amylopectine, ce qui permet d’augmenter la résistance du grain au cisaillement, ou en substituant des

groupements latéraux qui limiteront le réarrangement des chaînes lors du refroidissement et au cours de la vie du produit (Boursier, 2005).

Figure 2 : Schéma des transformations hydro-thermiques des ingrédients des desserts laitiers neutres lors du procédé de transformation

Le carraghénane est un polyose sulfaté extrait d’algues rouges. Les trois espèces les plus utilisées sont les carraghénane-kappa (1 sulfate/dimère), -iota (2 sulfates/dimère) et -lambda (3 sulfates/dimère). Les carraghénane-kappa et -iota sont gélifiants, alors que le carraghénane lambda est seulement épaississant (Campo et al. 2009). Ces polyoses sont mis en œuvre par une dispersion à froid, un chauffage au-delà de 60 °C pour assurer la solubilisation complète des chaînes, puis un refroidissement en dessous de 40 °C pour permettre la gélification lorsqu’elle est possible (Figure 2).

Au plan de la mise en œuvre industrielle, les ingrédients sont mélangés, chauffés à une température suffisante pour les fonctionnaliser (Figure 2), puis refroidis, soit au repos après la mise en pot, soit sous cisaillement avant la mise en pot (Figure 3). Un gel ou une crème est ainsi respectivement obtenu(e). A partir d’une composition très similaire, une très grande variété de texture de gels et/ou de crèmes (Figure 4) peut être obtenue sur la base des connaissances des fournisseurs d’ingrédients et du savoir- faire des fabricants de produits laitiers.

Les interactions carraghénane / micelles de caséines ont été largement étudiées depuis 3 décades. En mélanges, ces deux composés forment un réseau bi-continu structuré par des liaisons carraghénane / micelles de caséines et carraghénane / carraghénane (Garnier et al., 2003 ; Langendorff et al., 2000 ; Michon et al., 2003 ; Snoeren, 1976).

Les interactions amidon / lait ont également été étudiées. Il a été démontré que la présence de protéines du lait impacte la texture de systèmes contenant de l’amidon (Tárrega et al., 2005). Les mécanismes en revanche restent mal connus et les auteurs ne s’accordent pas sur une seule et même hypothèse. Plusieurs études envisagent un phénomène d’exclusion de toutes les protéines de lait hors du grain d’amidon lorsqu’il gonfle (Aguilera et Baffico, 1997 ; Matser et Steeneken, 1997 ; Vu Dang et al., 2009). Cependant, une adsorption ou une pénétration des protéines de lait sur ou dans le grain d’amidon a été suggérée (Appelqvist et Debet, 1997) ou observée (Kett et al., 2013 ; Noisuwan et al., 2011).

Atkin et al, 1998 / Fannon, 1996 / Doublier, 1990

~ 60°C

Corredig, 1997

DENATURATION

…..

Piculell, 2006 / Michon, 1995

FONCTIONNALISATION

…..

GELIFICATION

~ 20-40 °C

4 °C

> 80 °C

Temps (min)

Te m pé rat ure (° C)

Protéines de lait Carraghénane

Amidon

Figure 3 : Schéma général des deux principaux procédés de fabrication des desserts laitiers neutres

Figure 4 : Variété de texture des desserts laitiers neutres de type crème

Les interactions amidon / carraghénane ont également été largement étudiées depuis 3 décades.

Néanmoins, là encore, la littérature a du mal à s’accorder sur leurs mécanismes comme le montre la Figure 5 qui récapitule les trois phénomènes envisagés lorsque les grains d’amidon sont empesés dans une solution de carraghénane (Abdulmola et al., 1996 ; Alloncle et Doublier, 1989, 1991; Espinosa-Dzib et al., 2012 ; Gonera et Cornillon, 2002 ; Savary et al., 2008 ; van de Velde et al., 2003). Les interactions menant à l’un ou l’autre de ces phénomènes n’étaient donc pas encore bien connues lorsque nous avons débuté ce travail.

Dans ce contexte d’incertitudes sur les mécanismes d’interaction des mélanges pris deux à deux, il était extrêmement ambitieux de prétendre élucider les interactions entre l’amidon, le carraghénane et les protéines laitières dans un même mélange. Pour véritablement avancer dans la connaissance de la construction de la structure de ces systèmes, la microscopie confocale à balayage laser est une technique de choix puisqu’elle permet d’observer la microstructure de systèmes opaques en repérant la localisation des composés d’intérêt. Pour être réellement pertinente, il fallait mettre au point une méthode de triple marquage afin d’être en mesure d’observer l’amidon, le carraghénane et les protéines de lait du mélange. Or dans les études de la littérature, dans un milieu contenant des protéines et des carraghénanes, l’amidon n’était jamais marqué ce qui limitait l’interprétation sur son état (intact ou détruit à l’issue du gonflement) puisqu’il apparaissait sous la forme de trous noirs (Arltoft et al., 2007, 2008 ; Espinosa-Dzib et al., 2012).

En conséquence, la stratégie de cette étude a été d’étudier les interactions de l’amidon en présence de carraghénane ou de lait (système binaires) puis de se focaliser sur les systèmes ternaires amidon / carraghénane / lait en jouant, le cas échéant, sur l’ordre de mise au contact du lait et du carraghénane avec l’amidon. Ces interactions ont été étudiées par des méthodes microscopiques (microscopie

Mélange des ingrédients Traitement thermomécanique

Stockage GEL

Particules de gels cisaillés Refroidissement

en pot Refroidissement

sous cisaillement

CREME

confocale) mais aussi rhéologiques. Une conclusion générale récapitulant l’ensemble des leviers possibles propose une démarche d’ingénierie inverse.

Figure 5 : Schématisation des trois types d’interactions décrits dans la littérature pouvant se produire lors du gonflement au cours d’un traitement thermomécanique de l’amidon dispersé dans une solution de carraghénane Ce document présente majoritairement les résultats obtenus par microscopie confocale : ils mettent en avant la structure des différents mélanges étudiés et ainsi les interactions potentielles entre les ingrédients. Ces observations seront introduites, discutées et approfondies succinctement grâce aux principaux résultats d’autres études réalisées en parallèle.

2. Méthode de microscopie développée 2.1 Ingrédients ou composants utilisés

Tous les composants ou ingrédients utilisés lors de ces travaux étaient sous la forme de poudres. Les échantillons d’amidon, de carraghénane et de poudre de lait écrémé (moyen traitement thermique, WPNI 4,50-5,99) ont été fournis par Cargill (Baupte, France) et ont été utilisés sans purification ni traitement supplémentaire. Le lait écrémé a été reconstitué à 10,4 % p/p.

L’amidon utilisé tout au long de ces travaux était un adipate de di-amidon acétylé de maïs cireux (E 1422). Le carraghénane utilisé pour l’observation de la microstructure des différents mélanges est un carraghénane composé d’une majorité de chaînes kappa.

La formule utilisée pour l’étude des mélanges en microscopie confocale était typique des desserts laitiers neutres (Figure 1) : 0,17 % p/p de carraghénane et 2 % p/p d’amidon ; le reste de la formule étant du lait écrémé.

2.2 Marquage de l’amidon, du carraghénane et des protéines de lait

Pour réaliser une observation en microscopie confocale à balayage laser, il est nécessaire de marquer

chacun des composés d’intérêt, à l’aide d’un fluorochrome excitable par l’un des lasers du microscope,

et émettant dans une gamme de longueur d’émission suffisamment distincte de celle des autres

marqueurs. Les quatre marqueurs utilisés principalement dans cette étude et leurs caractéristiques sont

donnés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Marqueurs de l’amidon, du carraghénane et des protéines du lait ainsi que leurs caractéristiques Nom abrégé

Nom développé

Ingrédient

marqué Longueurs d’onde

l (nm) Références

Excitation

CBQCA

3-(4-CarboxyBenzoyl) Quinoline-2-

CarboxAldehyde)

Amidon (protéines

endogènes) 488 500-530 (Han

Hamaker 2002)

APTS

1,3,6PyrèneTriSulfonique

Amidon

(amylopectine) 488 500-530 (Blennow

RITC

Rhodamine IsoThioCyanate Carraghénane

543 580-620 (de Belder et Granath, 1973 ; Núñez-Santiago

Alexa Protéines de lait 633 700-730 -

Si les marquages à l’aide du CBQCA, du RITC et de l’Alexa étaient bien maitrisés, ce n’était pas le cas pour le marquage APTS. En effet, l’essentiel des grains marqués étaient détruits lors de la gélatinisation. Le protocole de marquage conduisait à obtenir des dispersions d’amidon présentant des pH très faibles ce qui engendrait une hydrolyse des grains (Chen et al., 2011). L’ajout d’une étape de neutralisation par ajout de soude en fin de marquage a permis de limiter cette fragilisation des grains vis-à-vis de l’hydrolyse (Matignon et al., 2014b). La Figure 6 montre une suspension d’amidon marquée après gélatinisation sous agitation relativement forte. Le marquage reste très visible, certains grains sont encore intacts, d’autres sont sous la forme de fantômes. Des zones un peu cotonneuses, avec un contraste moins fort correspondent à de l’amylopectine relarguée dans le milieu. Aussi, le marquage des grains d’amidon développé permet d’observer aussi bien des grains d’amidon gonflés que les chaînes macromoléculaires d’amylopectine dispersées dans le milieu suite à la rupture des grains (Matignon et al., 2014b). Ce résultat n’avait jamais été obtenu dans la littérature.

3. Système binaire, amidon / carraghénane et amidon / lait 3.1 Interactions amidon / carraghénane

Comme récapitulé dans la Figure 5, trois phénomènes sont envisagés lorsque des grains d’amidon sont gonflés dans une solution de carraghénane.

Une pénétration des chaînes macromoléculaires de carraghénanes dans le granule d’amidon ; lors de leur gonflement, les grains d’amidon absorbent tout le milieu de dispersion. A la fin du gonflement, les concentrations en carraghénane dans le milieu de dispersion et dans les grains d’amidon sont identiques.

Figure 6 : Image obtenue par

microscopie confocale de grains

d’amidon marqués (vert) avec de

l’APTS, empesés dans une

solution de NaCl

Une exclusion des chaînes macromoléculaires de carraghénane par le granule d’amidon ; lors de leur gonflement, les grains d’amidon absorbent tout leur milieu de dispersion sauf les chaînes macromoléculaires. A la fin du gonflement, la concentration en carraghénane dans les grains d’amidon est nulle ; elle a augmenté dans le milieu de dispersion. Cette augmentation dépend de la réduction de volume de la phase continue induite par le gonflement des grains d’amidon.

Une adsorption des chaînes macromoléculaires de carraghénane sur les grains d’amidon est une variante du phénomène d’exclusion ; les chaînes macromoléculaires de carraghénane sont exclues par le granule d’amidon lors de leur gonflement mais des interactions sont mises en place entre la surface de l’amidon et les chaînes macromoléculaires de carraghénane.

La concentration en carraghénane dans le milieu de dispersion dépendra fortement du phénomène mis en place : elle n’évoluera pas dans le cas d’une pénétration, elle augmentera dans le cas d’une exclusion simple et elle augmentera mais dans une moindre mesure si une partie du carraghénane exclu s’adsorbe sur le granule. De manière à évaluer lequel de ces deux phénomènes (pénétration ou exclusion) était mis en place, une méthode de dosage indirecte de la concentration en carraghénane dans le milieu de dispersion après gélatinisation a été développée (Huc et al., 2014). Différents ratios amidon / carraghénane et différents carraghénanes (kappa ou iota) ont été étudiés. Les résultats obtenus, s’ils n’excluent pas totalement l’hypothèse d’une pénétration du carraghénane, montrent clairement une augmentation de la concentration en carraghénane dans la phase continue ce qui permet de conclure à une exclusion au moins partielle. Des différences significatives ont été obtenues entre les différents carraghénanes utilisés : les carraghénanes kappa interagissent beaucoup plus avec le granule que les carraghénanes iota (Huc et al., 2014).

L’observation de la microstructure de ces mélanges, amidon gonflés / carraghénane, à l’aide de l’outil microscope confocal à balayage laser complète bien cette étude. Comme le montre la Figure 7, les deux signaux RITC et APTS sont superposés - zones magenta très contrastées (signal RITC, positionnement du carraghénane) tout autour du grain d’amidon gonflé (signal APTS, marqué en vert) - ce qui montre une adsorption des chaînes de carraghénane sur les grains d’amidon (Matignon et al.

2014b).

Afin de vérifier s’il y avait un peu de pénétration des carraghénanes dans les grains d’amidon, une expérience complémentaire a été réalisée. La solution de carraghénane a été mise au contact des grains d’amidon soit avant leur empesage soit après leur empesage. Les résultats de dosage du carraghénane résiduel dans la phase continue ont été identiques (Matignon et al., 2014a) montrant ainsi que le carraghénane pénétrant dans les grains au cours de l’empesage est négligeable.

Figure 7 : Observation de grains d’amidon marqués avec l’APTS (vert) et gonflés dans une solution de kappa-carraghénane marquée avec du RITC (magenta).

Les zones de co-localisation sont

représentées en rose clair et en blanc.

L’essentiel de l’interaction se fait par adsorption des chaînes sur le granule. De plus, ces résultats ont mis en évidence un effet de la charge et de la masse moléculaire des carraghénanes sur leur niveau d’adsorption qui est d’autant plus important que le carraghénane est peu chargé et que leur masse moléculaire est faible (Matignon et al., 2014a).

Finalement, l’observation fine de la microstructure d’un mélange amidon / carraghénane marqué (Figure 8 gauche) montre une répartition hétérogène des zones de couleur magenta et donc des chaînes de carraghénanes adsorbées sur les grains. Or les protéines endogènes de l’amidon marquées au CBQCA sont également réparties de façon hétérogène dans et sur le grain (Figure 8 droite). Une interaction entre les chaînes de carraghénane et les protéines de surface des grains d’amidon pourrait donc être mise en place (Matignon et al., 2014b).

Figure 8 : Images obtenues par microscopie confocale. Image de gauche : grains d’amidon (2 % p/p) empesés dans une solution de carraghénane kappa (0,17 % p/p) marqué avec du RITC (zone magenta) ; Image de droite : grains d’amidon (2 % p/p) non empesé marqués avec du CBQCA (zone blanche) dispersés dans une solution 0,1 M NaCl.

3.2 Interactions amidon / protéines de lait

Lorsque des grains d’amidon sont gonflés dans du lait écrémé, l’hypothèse la plus souvent proposée dans la littérature est celle de l’exclusion totale des protéines. Néanmoins, l’adsorption de protéines de lait sur la surface des grains a également été suggérée ou observée.

Lorsque l’on observe les grains d’amidon d’une suspension gonflée dans le lait (Figure 9 centre), on constate pour certains d’entre eux, la présence de protéine à l’intérieur (Figure 9, gauche et centre) ce qui pourrait être dû à une pénétration des protéines lors du gonflement. Néanmoins, en prenant des images sur différents plans focaux successifs et en parcourant ainsi l’ensemble du granule gonflé, il apparait que ces protéines sont, en réalité, « enfermées » dans une circonvolution du granule gonflé (Figure 9 droite). Ces résultats confirment qu’il n’y a pas de pénétration des protéines au sein du granule lors de l’empesage (Matignon et al., 2014b). Par ailleurs, il ne semble pas y avoir de protéines adsorbées sur les grains qui apparaissent en noir sur les photos (Figure 9).

En comparaison aux grains d’amidon gonflés dans une solution de carraghénane (Figures 7 et 8), les grains d’amidon gonflés dans du lait écrémé sont plus détruits (Figure 9). Cette observation suggérerait que la présence de protéines de lait dans le milieu de dispersion pourrait mener à une rupture plus élevée des grains d’amidon.

Des expériences complémentaires ont montré que l’état des grains d’amidon gonflés dans du lait

écrémé dépendait fortement du traitement thermomécanique utilisé. Un résultat qui fait échos à des

résultats non consensuels de la littérature selon lesquels la présence de protéines dans le milieu de

dispersion de l’amidon peut mener soit à une diminution, à une augmentation ou à une non évolution de

la taille des granules d’amidon après l’empesage. Il laisse supposer que les interactions entre les

protéines de lait et les granules d’amidon seraient dépendantes du traitement utilisé ; ce qui serait une

limite pour extrapoler des résultats laboratoire à l’échelle industrielle.

Dans ce contexte, une étude a été lancée pour comparer l’influence d’un traitement thermomécanique aux échelles laboratoire et pilote sur les caractéristiques (tailles des granules d’amidon gonflés, propriétés rhéologiques) de suspensions d’amidon contenant ou non des protéines de lait. Cette étude a permis de mettre en avant que le taux de destruction et/ou de gonflement des grains d’amidon augmentent à chaque fois que l’empesage est réalisé en présence de protéines de lait et avec un traitement thermomécanique intense (typiquement à l’échelle pilote) (Matignon et al., Submitted-b). La contribution à la viscosité de la phase continue des micelles de caséines ne suffit pas pour expliquer ces phénomènes. Aussi, des interactions entre les protéines endogènes de l’amidon et les protéines du lait ont été suggérées pour les expliquer. Les protéines endogènes de l’amidon de maïs utilisé dans cette étude comportent un nombre important de groupements hydrophobes (Baldwin, 2001 ; Mu-Forster et Wasserman,1998). Par ailleurs, les protéines du lactosérum dénaturées lors du chauffage (supérieur ou égal à 70 °C) pour l’empesage de l’amidon, s’ouvrent et exposent leurs groupements hydrophobes à l’extérieur. Aussi, les protéines du lactosérum deviendraient capables de réagir avec les groupements des protéines endogènes de l’amidon.

Les protéines du lactosérum ainsi adsorbées en surface des grains en modifieraient la surface qui deviendrait notamment plus rugueuse. Lors du traitement thermomécanique, l’augmentation du frottement des grains les uns contre les autres pourrait conduire à une modification de leur dynamique de gonflement. Par ailleurs, ces interactions pourraient mener aussi à de nouvelles propriétés de gonflement des granules d’amidon de part la modification de sa surface (Matignon et al., Submitted-b).

3.3 Conclusions sur les interactions deux à deux

Les carraghénanes et les protéines du lait ne pénètrent pas dans les grains d’amidon lors de l’empesage. Il y a adsorption des chaînes de carraghénane sur les grains quel que soit le moment de la mise au contact (avant ou après l’empesage). Il y aurait également adsorption des protéines du lactosérum sur les grains lorsqu’elles sont dénaturées par la chaleur ce qui entraînerait des dynamiques de gonflement différentes des grains d’amidon.

4. Systèmes ternaires amidon / carraghénane / lait

4.1 Visualisation de l’amidon et du carraghénane dans les systèmes ternaires Lorsque l’amidon est empesé dans un mélange carraghénane / lait, l’image obtenue par microscopie confocale (Figure 10 gauche) est très différente de celle obtenue lorsque l’amidon est empesé seulement dans une solution de carraghénane (Figure 7). Si les grains d’amidons sont toujours bien visibles (Figure 10 gauche, signal APTS, vert), le carraghénane n’est plus du tout adsorbé dessus et se situe uniquement dans la phase continue qui entoure les grains (Figure 10 gauche, signal RITC, magenta). La superposition des deux signaux montre qu’il n’y a plus du tout de co-localisation. En présence de protéines de lait, le carraghénane perd sa capacité à s’adsorber sur les grains d’amidon.

Figure 9 : Image obtenue par

microscopie confocale de

grains d’amidon (2 % p/p)

empesés dans une solution de

protéines de lait marquées

avec de l’Alexa (signal jaune).

Figure 10 : Observation de mélanges amidon / carraghénane kappa en fonction du moment d’incorporation des protéines de lait : A) empesage de l’amidon dans un mélange carraghénane/lait, B) empesage de l’amidon dans une solution de carraghénane puis ajout des protéines de lait. Echelle = 50 µ ^m

Lorsque l’amidon est empesé d’abord dans une solution de carraghénane et ensuite des protéines de lait sont ajoutées, le résultat est quasiment le même que précédemment (Figure 10 droite). S’il y a bien eu adsorption du carraghénane sur les grains (image identique à celle de la Figure 7), ils ont été désorbés et se retrouvent dans la phase continue de la même manière que si l’empesage est effectué dans le mélange carraghénane / lait. Il apparaît néanmoins trois différences importantes dans la Figure 9 (droite) : l’organisation du carraghénane dans la phase continue n’est pas la même, - elle semble plus diffuse, il y a moins de zones magenta en surbrillance -, les grains d’amidon sont moins cassés et sont entourés d’une zone de déplétion (cercle noir) dans laquelle il n’y pas de carraghénane (Matignon et al., 2014b).

4.2 Visualisation de l’amidon, du carraghénane et des protéines de lait dans les systèmes ternaires

Lorsque le signal correspondant aux protéines est ajouté (Figure 11 A et B), il est évident que les protéines de lait et le carraghénane sont positionnés dans la phase continue autour des grains d’amidon sans aucune interaction avec lui. Par conséquent, que l’amidon soit empesé dans le mélange carraghénane / lait (Figure 11A) ou dans une solution de carraghénane avec ajout a posteriori des protéines de lait (Figure 11B), ce sont les interactions associatives entre les chaînes de carraghénane et les micelles de caséines qui dominent (Matignon et al., 2014b).

En revanche, l’effet fragilisant de la présence des protéines du lait au moment de l’empesage de l’amidon demeure dans le mélange ternaire puisque les grains sont visiblement plus cassés dans le mélange de la Figure 11A. S’il y a plus de destruction des grains, alors une quantité plus importante d’amylopectine est libérée dans le milieu. Elle est bien visible dans l’image du signal APTS de la Figure 11A sous la forme de nuages verts diffus autour des grains d’amidon non cassés. L’amylopectine se retrouve imbriquée dans le réseau carraghénane / lait ce qui peut contribuer à une structuration différente de la phase continue (Matignon et al., 2014b).

Enfin les zones de déplétion autour des grains d’amidon lorsque les protéines sont ajoutées a

posteriori, sont toujours bien visibles dans les images avec la superposition des trois signaux (Figure

11B, APTS, RITC et Alexa) ce qui montre une imbrication moins forte des grains d’amidon dans le

réseau carraghénane / lait, par rapport à un empesage directement dans le mélange carraghénane /lait

(Matignon et al., 2014b).

Figure 11 : Récapitulatif des microstructures obtenues de système ternaire en fonction de l’ordre d’incorporation des ingrédients

4.3 Conclusion sur les mélanges ternaires

Les interactions carraghénane / protéines de lait sont dominantes par rapport aux interactions carraghénane / amidon. Néanmoins, l’ajout de protéines de lait après un empesage de l’amidon dans une solution de carraghénane, conduit à un structure différente du système avec un effet à la fois sur l’état granulaire de l’amidon, sur l’organisation de la phase continue et sur les interactions des grains gonflés et de la phase continue.

5. Conclusion générale

Par une approche systématique d’étude deux à deux puis à trois ingrédients en jouant également sur l’ordre d’incorporation, une meilleure compréhension des interactions au sein de systèmes de type crème dessert a été obtenue. Des interactions existent entre chacun des trois ingrédients de la crème dessert, importants du point de vue de la texture. Elles ont pu être hiérarchisées. Ainsi les interactions carraghénane / micelles de caséines l’emportent sur les interactions carraghénane / amidon.

Néanmoins, les protéines du lactosérum semblent continuer à s’adsorber sur les grains d’amidon même en présence du carraghénane et provoquer une plus grande rupture des grains lors du traitement thermomécanique. L’ajout de protéines du lait après empesage de l’amidon dans une solution de carraghénane conduit à la même structure globale que lorsque l’amidon est empesé en leur présence, néanmoins, une observation fine montre que la phase continue, l’état des granules et leur interaction avec le réseau carraghénane/lait qui les entourent s’en trouvent modifiés.

L’ensemble de ces observations permettent de proposer des pistes pour mieux maîtriser la qualité des

crèmes dessert, en pilotant à façon le procédé. A partir des connaissances ainsi acquises, un plan

d’expérience a pu être proposé pour créer un espace sensoriel à partir d’une seule et même

composition de crème dessert et en modifiant uniquement l’ordre d’incorporation des ingrédients et

l’intensité du cisaillement appliqué aux grains d’amidon gonflés. Non seulement, les textures de ces

produits ont été perçues différentes par les juges mais des termes variés ont été générés spontanément

permettant de classer ces produits selon leur caractère plus ou moins fluide et suivant leur caractère

plus ou moins granuleux (Matignon et al., Submitted-a).

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